DE102012018740A1 - Method for generating ultrasonic energy in pulse ultrasonic generator that is utilized for e.g. steam and heating boilers, involves ensuring operation of continuous oscillations with amplitude value of current oscillations - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren zur Ultraschallenergieerzeugung durch Stromimpulse in breitem Leistungsbereich (bis 20 Ohm von Belastungswiderstand auf einen Umwandler) und bei großem Wirkungsgrad in vielen technologischen Prozessen unter Beachtung des Umweltschutzes. Sie gehört zu einem Bereich von Schaffung der Impuls-Ultraschallgeneratoren, welche wie Impuls- als auch besondere kontinuierliche Betriebsweisen sicherstellen können. Diese Generatoren könnten Verwendung in verschiedenen Branchen der Industrie finden: zur Beschleunigung von physisch-chemischen Prozessen, Verhinderung und Entfernung von verschiedenartigen technologischen Ablagerungen auf den Wärmeübertragungs- und Stoffaustauschflächen der jeweiligen industriellen Apparate und Rohrleitungen, und auch zur Qualitätserhöhung von hochwertigen Metallschmelzen und Gusserzeugnisse aus Stählen, Aluminiumlegierungen und anderen Metallen, usw.The invention relates to apparatus and method for ultrasonic energy generation by current pulses in a wide power range (up to 20 ohms of load resistance to a converter) and high efficiency in many technological processes in compliance with environmental protection. It belongs to a range of creation of impulse ultrasonic generators which can ensure both impulse and special continuous operations. These generators could be used in various industries: accelerating physico-chemical processes, preventing and removing various technological deposits on the heat transfer and mass transfer surfaces of the respective industrial apparatus and piping, and also increasing the quality of high-quality molten metal and cast steel products , Aluminum alloys and other metals, etc.
Die Vorrichtung zur Ultraschallenergieerzeugung durch Stromimpulse in breitem Leistungsbereich (bis 20 Ohm von Belastungswiderstand auf einen Umwandler) und bei großem Wirkungsgrad [weiter Impuls-Ultraschallgenerator mit großem Wirkungsgrad (IUSG-gW)] zur Optimierung vieler physisch-chemischer Prozesse in industriellen Technologien (
- – einen Thyristorwechselrichter (Inverter)
3 (3e ), der einen ersten Schalter-Thyristor16 (18 ), einen zweiten Schalter-Thyristor17 (19 ), zwei Kraftstromimpuls- undFreischwingungskreise 13 undKommutierungskondensatoren 15 aufweist, wobei jederKreis 13 aus einerHauptwicklung 11 auf den Schenkeln desMagnetostriktionsumwandlers 10 und einemKondensator 12 besteht. In der Erfindung wird ein Prozess von freien Schwingungen verwendet, in dem eine Form der Kraftstromimpulse den Sinushalbwellen ähnlich ist und bei den bestimmte Zeitspannen zwischen einem Ende des positiven und einem Anfang des nächsten negativen Kraftstromimpulses usw. eine oder zwei Wellenlängen der freien Schwingungen hineingehen. Dabei findet eine entsprechende Dämpfung der Schwingungen statt. In diesem neuen bei der Resonanzfrequenz schwingenden System ist die Dauer eines Kraftstromimpulses und jeder Halbwelle von freien Schwingungen praktisch gleich. Und die aus dem Stromnetz zu verbrauchende Leistung ist dabei von ca. 30 oder 20% der Leistung gleich, die die Ultraschallgeneratoren von kontinuierlichen Schwingungen unter den übrigen gleichen Bedingungen verbrauchen und in Belastung übergeben (ca. maximale Leistung der Kraftstromimpulse, ca. gleiche Wirkungsgrade usw.). Der Unterschied besteht hauptsächlich nur in kleineren mittleren Amplituden und Leistung bei stationären Betriebsweisen infolge der freien Stromschwingungen. Der erste Schalter-Thyristor16 (18 ) erzeugt einen positiven Einzelstromimpuls bei derparallelgeschaltenen Hauptwicklung 11 und demKondensator 12 von denStromschwingungskreisen 13 . Dieser Impuls ladet gleichzeitig dieKommutierungskondensatoren 15 . Dann folgen freie Schwingungen derKreise 13 , aber bei der in Reihegeschalteten Hauptwicklung 11 und demKondensator 12 . Die Frequenz von freien Schwingungen ist praktisch der Frequenz von Resonanzschwingungen derKreise 13 gleich. Und die Kraftstromimpulse werden vom Steuerimpulsgenerator so gebildet, dass ihre Folgefrequenz von 3 oder 5 Malen geringer ist, als die Frequenz von freien Schwingungen abhängig von einer Zeitspanne zwischen den nächsten positiven und negativen Impulsen. Die Zeitspannen können dabei einer Dauer von jeweils 2 oder 4 Halbwellen fast gleich sein. Und das findet bei entsprechender Güte von Schwingungskreisen statt. Der zweite Schalter-Thyristor17 (19 ) erzeugt negative Einzelstromimpulse in denKreisen 13 , welche mit den entsprechenden negativen Halbwellen der freien Schwingungen übereinstimmen. Weiter wird der erste Thyristor16 (18 ) wieder eingeschaltet usw. Da Aufladung und Entladung der Kapazitäten (Kommutierungskondensatoren15 ) durch die Induktivitäten (magnetostriktive Umwandler 10 mit Hauptwicklungen11 ) erzeugt werden, haben die Kraftstromimpulse eine Form von fast einer Sinushalbwelle [D. A. Gerschgal, W. M. Fridman: Ultraschallarbeitsanlagen. Verlag „Energie”, Moskau, 1976, russ., s. S. 103 - – einen
Elektronenschalter 4 als Mittel zur Verhinderung von Kurzschlüssen und Beschädigungen infolge des zufälligen gleichzeitigen Ansprechens derThyristoren 16 ,17 (18 ,19 ) in einen offenen Zustand. Dieser weist einenOptokoppler 40 mit dem Leuchtdiodeneingang46 und Photothyristorausgang47 und einen Transistor-MOSFET41 als Schaltelement mit der p-Kanal-Isolierschicht und Sourceschaltung auf. Außerdem enthält er 4Widerstände 42 ,43 ,44 und45 . Bei möglichen Störungen wegen des gleichzeitigen Ansprechens derThyristoren 16 ,17 (oder/und18 ,19 ) in einen offenen Zustand wird der sich bildende Gleichstromkreis durch denElektronenschalter 4 unterbrochen und der Ultraschallenergieerzeuger oder eines von Inverteren3 (3e ) wird für eine bestimmte Zeit abgeschaltet; - – eine
Gleichrichteranlage 2 , die als Unterscheidungsmerkmal einen Vollweggleichrichter8 aufweist sowie noch eineDrossel 7 und einen Speicherkondensator9 mit großer Kapazität enthält; - – eine
Einrichtung 5 für Gleichstromvormagnetisierung vonmagnetostriktiven Umwandlern 10 weist dieEinweggleichrichter 28 ,Siebkondensator 29 ,Drosselspule 30 auf und wird vomStromnetz 6 mit einer Spannung von ca. 230/380 durch einenStelltransformator 27 derStromversorgungseinheit 1 eingespeist. Die Vormagnetisierung folgt durch eineeinzelne Wicklung 14 jedesUmwandlers 10 ; - – eine Stromversorgungseinheit (SVE)
1 mit einemStelltransformator 26 in Sparschaltung zur Stromspeisung des Inverters3 (3e ) und einemStelltransformator 27 – zur Gleichstromvormagnetisierung, die außerdemSchalter 24 und24a und eineTemperatursicherungen 25 aufweist.
- A thyristor inverter (inverter)
3 (3e ), which has a first switch thyristor16 (18 ), a second switch thyristor17 (19 ), two Kraftstromimpuls- and free-vibration circuits 13 andcommutation capacitors 15 where eachcircle 13 from amain winding 11 on the thighs of themagnetostriction converter 10 and acapacitor 12 consists. In the invention, a free vibration process is used in which one form of the power pulses is similar to the half sine waves and one or two wavelengths of the free vibrations go in at the particular time periods between one end of the positive and one start of the next negative power pulse. In this case, a corresponding damping of the vibrations takes place. In this new resonant frequency oscillating system, the duration of a power pulse and each half wave of free vibration is virtually the same. And the power to be consumed from the power grid is equal to about 30 or 20% of the power consumed by the ultrasonic generators of continuous oscillations under the other same conditions and handed over under load (approximately maximum power output, approximately equal efficiencies, etc .). The difference is mainly only in smaller mean amplitudes and power in steady state operations due to the free current oscillations. The first switch thyristor16 (18 ) generates a positive single-current pulse in the parallel-connectedmain winding 11 and thecapacitor 12 from thecurrent oscillation circuits 13 , This pulse simultaneously charges thecommutation capacitors 15 , Then free vibrations of the circles follow13 but in the main winding inseries 11 and thecapacitor 12 , The frequency of free vibrations is practically the frequency of resonant vibrations of thecircuits 13 equal. And the power pulses are formed by the control pulse generator so that their repetition frequency of 3 or 5 times lower than the frequency of free vibrations depending on a period between the next positive and negative pulses. The time periods can be almost the same for a duration of 2 or 4 half-waves. And that takes place with appropriate quality of vibration circuits. The second switch thyristor17 (19 ) generates negative single current pulses in thecircuits 13 , which coincide with the corresponding negative half-waves of the free vibrations. Next becomes the first thyristor16 (18 ), etc. Since charging and discharging of the capacitors (commutation capacitors15 ) by the inductances (magnetostrictive transducers 10 with main windings11 ), the power pulses have a shape of nearly one half-sine wave [DA Gerschgal, WM Fridman: Ultrasound laboratories. Publisher "Energy", Moscow, 1976, russ., S. P. 103 - - an
electron switch 4 as a means of preventing short circuits and damage due to the random simultaneous response of thethyristors 16 .17 (18 .19 ) in an open state. This has anoptocoupler 40 with the LED input46 and photothyristor output47 and atransistor MOSFET 41 as a switching element with the p-channel insulating layer and source circuit. It also contains 4 resistors42 .43 .44 and45 , For possible faults due to the simultaneous response of thethyristors 16 .17 (or and18 .19 In an open state, the forming DC circuit becomes through theelectron switch 4 interrupted and the ultrasonic energy generator or one of inverters3 (3e ) is switched off for a certain time; - - a
rectifier system 2 , which as a distinguishing feature a full-wave rectifier8th has and still anotherthrottle 7 and a storage capacitor9 contains large capacity; - - An
institution 5 for DC biasing ofmagnetostrictive transducers 10 has the half-wave rectifier 28 ,Filter condenser 29 ,Choke coil 30 on and off ofpower grid 6 with a voltage of approx. 230/380 through avariable transformer 27 thepower supply unit 1 fed. The bias follows through a single winding14 everyconverter 10 ; - A power supply unit (SVE)
1 with avariable transformer 26 in economy mode for the power supply of the inverter3 (3e ) and a variable transformer27 - to the DC bias, which also switches24 and24a and a temperature fuses25 having.
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung „Vorrichtung und Verfahren zur Ultraschallenergieerzeugung durch Stromimpulse in breitem Leistungsbereich (bis 20 Ohm von Belastungswiderstand auf einen Umwandler) und bei großem Wirkungsgrad zur Optimierung vieler physisch-chemischer Prozesse in industriellen Technologien unter Beachtung des Umweltschutzes” bezieht sich auf folgende Prozesse und Technologien:
- 1) Verhinderung und auch Beseitigung schon vorhandener technologischer Ablagerungen mit einer erhöhten Adhäsionskraft zu Metallen in den Dampf- und Heizkesseln, Wärmetauschern, in Verdampfern für Wasservorbereitung, in Abhitzekesseln für Müllverbrennungs- und ähnliche Anlagen auf äußeren und inneren Heizflächen gleichzeitig;
- 2) Verhinderung von Belägen durch Schwerheizöl und anderen Erdölprodukten in den entsprechenden Wärmeapparaten in Kraftwerken, in Erdölgewinnungs- und Erdölverarbeitungsindustrie, Ablagerungen in Verdampfer der Monoammoniumphosphat-Lösung in Wasserhüttenwerken, in der Nahrungsmittel-, Zucker-, kosmetischen Industrie u. v. m.
- 3) Behandlung der Abwässer mit schädlichen Ingredienzien, Verwendung bei den chemischen und elektrochemischen Prozessen zur deren Geschwindigkeitszunahme in flüssigen Medien
- 4) Verhütung der Ablagerungen in Destillationskolonnen der Sodawerke, zum Schutz der Apparatur der Tonerdwerke vor Ablagerungsüberwachsen usw.
- 5) Die Erfindung könnte in Technologien mit harten industriellen Bedingungen verwendet werden, wie z. B. in der Metallurgie, für die Automobil- und ähnlichen Branchen zum Gewinnen von hochwertigen Metall-Schmelzen und Gusserzeugnisse aus Stählen, Aluminiumlegierungen und anderen Metallen bei einer zulässigen für die IUSG-gW Leistung.
- 6) In Abhängigkeit von den Programmen der Steuerung für die Vorrichtung „Impuls-Ultraschallgenerator mit großem Wirkungsgrad (IUSG-gW)” ist eine beträchtliche Ausgangsleistung bei Resonanzarbeitsweise zu bekommen oder eine Breitbandstrahlung mit den Schwingungen von verschiedenen Frequenzen durchzuführen. Im letzen Fall wird eine Reihe der physisch-chemischen Prozesse beschleunigt wie Lösen, Emulgieren, Diffusion, Trocknen u. a.
- 7) Die vorzuschlagenden Impuls-Ultraschallgeneratoren IUSG-gW besitzen erfindungsgemäß eine hohe Zuverlässigkeit, großen Wirkungsgrad und große Leistung durch Kraftstromimpulse, wie ca. bei den Ultraschallgeneratoren von kontinuierlichen Schwingungen, aber bei kleinerer Mittelleistung. Sie verbrauchen viel weniger Leistung aus dem Stromnetz (ca.
von 30% beim Impuls-Pause-Verhältnis von 3 in den Paketen der Kraftstromimpulse und freien Stromschwingungen oder ca. 20% bei dem Impuls-Pause-Verhältnis von 5). Das könnte den Bedürfnissen vieler Industriebranchen nachkommen. Die Besonderheit der kontinuierlichen Ultraschallschwingungen in den IUSG-gW besteht darin, dass nach jedem Kraftstromimpuls eine oder zwei Perioden der freien bis zum bestimmten Dämpfungsgrad Schwingungen folgen. Der Dämpfungsgrad hängt von der Güte des Schwingungskreises ab. Die Kombinationsnutzung der kontinuierlichen (freien) Schwingungen und Kraftstromimpulse lassen bedeutende Grundmängel der beiden Schwingungsarten verringern: a) hohe Kosten, mit denen die Erzeugung von kontinuierlichem Ultraschall in größerem Maßstab in Vergleich zu anderen Methoden verbunden sind, und ein Problem der zur Verfügung stehenden Technologie [Kuttruff H.: Physik und Technik des Ultraschalls. S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, s. S. 391, 392 Sorge G.: Faszination Ultraschall. Verlag B. G. Teubner GmbH, Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden, 2002, s. S. 101, 102 D. A. Gerschgal, W. M. Fridman: Ultraschallarbeitsanlagen. Verlag „Energie”, Moskau, 1976, russ., S. 101
- 1) Prevention and elimination of existing technological deposits with increased adhesion to metals in steam and boilers, heat exchangers, evaporators for water preparation, waste heat boilers for waste incineration and similar installations on external and internal heating surfaces simultaneously;
- 2) Prevention of heavy fuel oil and other petroleum product deposits in the corresponding heat generators in power plants, petroleum extraction and petroleum refining industries, deposits in evaporators of monoammonium phosphate solution in waterworks, in the food, sugar and cosmetic industries, and many more
- 3) Treatment of waste water with harmful ingredients, use in the chemical and electrochemical processes to increase their velocity in liquid media
- 4) Prevention of deposits in distillation towers of the soda plants, to protect the apparatus of the clay earthworks from deposit overgrowth, etc.
- 5) The invention could be used in technologies with harsh industrial conditions, such. For example, in metallurgy, for the automotive and related industries, to obtain high quality metal melts and castings from steels, aluminum alloys, and other metals, with an allowable IUSG gW performance.
- 6) Depending on the programs of the control for the device "Pulsed Ultrasonic Generator with High Efficiency (IUSG-gW)", a considerable output power is to be obtained in resonance mode or to perform broadband radiation with the vibrations of different frequencies. In the latter case, a number of physical-chemical processes are accelerated, such as dissolving, emulsifying, diffusion, drying and others
- 7) The proposed pulse ultrasound generators IUSG-gW according to the invention have a high reliability, high efficiency and high performance by power pulses, such as in the ultrasonic generators of continuous oscillations, but at a lower average power. They consume much less power from the power grid (about 30% at the pulse-to-pause ratio of 3 in the bursts of power pulses and free current swing or about 20% at the pulse-pause ratio of 5). That could meet the needs of many industries. The peculiarity of the continuous ultrasonic vibrations in the IUSG-gW is that after each power pulse one or two periods of the free vibration up to the specific degree of damping follow. The degree of damping depends on the quality of the oscillation circuit. The combined use of continuous (free) oscillations and power impulses reduces significant fundamental deficiencies of the two modes of vibration: a) high costs associated with producing continuous ultrasound on a larger scale compared to other methods, and a problem of available technology [
Kuttruff H .: Physics and Technology of Ultrasound. S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988, p. P. 391, 392 Sorge G .: The fascination of ultrasound. Publisher BG Teubner GmbH, Stuttgart / Leipzig / Wiesbaden, 2002, s. Pp. 101, 102 DA Gerschgal, WM Fridman: Ultrasound laboratories. Publisher "Energy", Moscow, 1976, russ., P. 101
Die vorzuschlagende Technologie könnte eine große Menge an Brennstoff, chemischen Mitteln für Reinigung der technologischen Ablagerungen, Elektroenergie usw. sparen und in bedeutendem Maße zum Umweltschutz beitragen.The technology to be proposed could save a large amount of fuel, chemical agents for the purification of technological deposits, electric power, etc., and significantly contribute to environmental protection.
Die vorliegende Erfindung wird auf einem neuen Verfahren und einer neuen Vorrichtung für Einführen der Kraft- und freien Schwingungen in die Ultraschallstrahler und weiter in eine Belastung und für das Unterhalten eines Resonanzschwingungsbetriebs gegründet. Dabei findet eine Aufeinanderfolge der positiven und negativen Kraftstromimpulse mit einer bestimmten Frequenz in den elektroakustischen Umwandlern statt. Diese Impulse wirken mit einer Reihenfolge bei den Zeitintervallen zwischen ihnen von 1,5 oder 2,5 Perioden der freien Schwingungen, d. h. die Frequenz der positiven und negativen Kraftstromimpulse 3 oder 5 Male weniger ist, als die Frequenz von freien Schwingungen. Die Zeitintervalle zwischen den Kraftstromimpulsen können sich nach einem Programm laut den oben genannten Daten oder Forderungen der entsprechenden Technologien verändern.The present invention is based on a new method and apparatus for introducing the force and free vibrations into the ultrasonic emitters and further loading and sustaining a resonant vibration mode. In this case, a succession of positive and negative power pulses with a certain frequency takes place in the electroacoustic transducers. These pulses act with an order at the time intervals between them of 1.5 or 2.5 periods of the free vibrations, ie the frequency of positive and negative power pulses is 3 or 5 times less than the frequency of free vibrations. The time intervals between the power pulses may vary according to a program according to the above data or requirements of the respective technologies.
Bei einem Zeitintervall zwischen den Kraftstromimpulsen mehr als 2,5 Perioden der freien Schwingungen entspricht eine Betriebsweise des Ultraschallgenerators einem Prozess in den üblichen Impuls-Ultraschallgeneratoren der Stoßwirkung, aber mit einem großen Wirkungsgrad in den Impulspaketen.At a time interval between the power pulses of more than 2.5 periods of the free vibrations, operation of the ultrasonic generator corresponds to a process in the conventional pulse ultrasonic generators of the impact action but with a high efficiency in the pulse packets.
Gemäß der Erfindung wird eine kontinuierliche Aufeinanderfolge der Einheitskraftstromimpulse und dazwischen freien Stromschwingungen von einer oder zwei Perioden in den elektromagnetischen Kreisen erzeugt. Bei den bekannten Impulsbetriebsweisen werden die Pakete von Einheitskraftstromimpulsen so gebildet, dass nach jedem Impuls eine Zeitspanne von ca. eine Halbperiode bis zum nächsten Kraftstromimpuls folgt und dabei keine Stromschwingungen stattfinden, entsprechend kein elektromagnetischer Energieumtausch vorgeht. Das führt zu großen Energieverlusten, starker Verminderung der Kreisengüte und Wirkungsgrades.According to the invention, a continuous succession of the unit power pulses and free current oscillations of one or two periods in the electromagnetic circuits are generated therebetween. In the known pulse modes, the packets of unitary power pulses are formed so that after each pulse a period of about one half cycle follows until the next power pulse and there are no current oscillations, according to no electromagnetic energy exchange proceeds. This leads to large energy losses, strong reduction in the circle quality and efficiency.
Die Neuigkeit der Erfindung besteht auch in der Verwendung von besonderen Elektronenschaltern, die für Vorrichtung von Ultraschallenergieerzeugung [Impuls-Ultraschallgenerator mit großem Wirkungsgrad (IUSG-gW)] Kurzschlüsse und Beschädigungen infolge des zufälligen gleichzeitigen Ansprechens der Thyristoren des IUSG-gW in einen offenen Zustand ausschließen. Bei möglichen Störungen wird der sich bildende Gleichstromkreis durch den Elektronenschalter unterbrochen und der IUSG-gW für eine bestimmte Zeit abgeschaltet. Weiter folgt ein automatisches Wiedereinschalten des Generators (s. unten), wenn seine normale Parameter wiederhergestellt wurden.The novelty of the invention is also the use of special electron switches which preclude short circuiting and damage due to the random simultaneous response of the thyristors of the IUSG gW to an open state for ultrasonic energy generation device [IUSG-gW] ultrasound generator , In case of possible faults, the DC circuit forming is interrupted by the electron switch and the IUSG gW is switched off for a certain time. Next is an automatic restart of the generator (see below) when its normal parameters have been restored.
Die nächste Neuigkeit der Erfindung ist ein neues Schema der Stromschwingungskreise für die IUSG-gW, das die Schwingungen von sehr ähnlichen den harmonischen Ultraschallschwingungen erzeugen lässt, sowie die großen Impuls- und Mittelleistungen bei großem Wirkungsgrad im Vergleich zu modernen Impuls-Ultraschallgeneratoren von Stoßwirkung.The next novelty of the invention is a new scheme of current waveforms for the IUSG gW which allows the oscillations of very similar harmonic ultrasonic vibrations to be generated, as well as the large momentum and mean power at high efficiency compared to modern impulse ultrasonic generators.
Es sind die Arbeitsparameter von Ultraschallgeneratoren der kontinuierlichen Schwingungen und Generatoren IUSG-gW in einem Betrieb der kontinuierlichen Schwingungen mit der periodisch sinkenden Amplitude zu vergleichen, wenn ihre Mittelleistungen gleich sind. In diesem Fall bei der etwa Gleichheit von Wirkungsgraden überschreitet die Leistung eines Kraftstromimpulses von IUSG-gW bedeutend diesen Wert für Generatoren der kontinuierlichen Schwingungen. Das könnte in den Technologien, die solchen Forderungen entsprechen, bei niedrigerem Energieverbrauch aus dem Stromnetz optimal genutzt werden.The operating parameters of ultrasonic generators of continuous oscillations and generators IUSG-gW in an operation of continuous oscillations are to be compared with the periodically decreasing amplitude when their mean powers are equal. In this case, at approximately equality of efficiencies, the power output of IUSG gW significantly exceeds this value for continuous vibration generators. This could be used optimally in the technologies that meet such requirements with lower energy consumption from the power grid.
Besondere Vorzüge haben die IUSG-gW im Vergleich zu viel verbreiteten Impuls-Ultraschallgeneratoren von Stoßwirkung, u. zw. der Wirkungsgrad ist um mehr als eine Größenordnung größer und ein Wert von Impuls-Pause-Verhältnis ist 3 und mehr gleich, d. h. ca. 7 ... 10-mal kleiner, als bei IUSG von Stoßwirkung. Also die mittlere Nutzleistung der IUSG-gW kann um ca. zwei Größenordnung mehr sein.Particular advantages of the IUSG gW in comparison to widely used impulse ultrasonic generators of impact effect, u. between the efficiency is greater by more than an order of magnitude and a value of pulse-pause ratio is equal to 3 and more, d. H. about 7 ... 10 times smaller than IUSG impact. So the average net power of the IUSG gW can be about two orders of magnitude more.
Für viele Technologien wird damit ein Hauptmangel der Ultraschalltechnologie nach den Schemen von kontinuierlichen Schwingungen – hohe Kosten der akustischen Energie im Vergleich zu anderen Energieformen – im bestimmten Maße beseitigt. Und die Vorzüge des Ultraschalles erhalten sich: außerordentlich breiter Bereich der technologischen Verwendungen, verhältnismäßige Einfachheit des Betriebes von industriellen Vorrichtungen, Möglichkeiten der Automatisierung und Mechanisierung.For many technologies this eliminates to a certain extent a major deficiency of ultrasound technology in the form of continuous vibrations - high costs of acoustic energy compared to other forms of energy. And the advantages of ultrasound are obtained: extremely wide range of technological uses, relative simplicity of operation of industrial devices, possibilities of automation and mechanization.
Die Patentanmeldung
Ein der letzten Patente dieser Klassen war das Patent
-
1 . Leistungstransformator; -
2 Einweggleichrichter; -
3 . Speicherkondensator; -
4 ,5 ,6 ,7 . Thyristoren; -
8 ,9 . Kommutierungskondensatoren; -
10 ,11 . Erregerwicklungen der magnetostriktiven Umwandler; -
12 ,13 ,14 ,15 . Sensoren der zeitlichen Ableitung eines Stromes, die die Spannungssignale zur Abschaltung des Steuerungsblocks17 der Thyristoren und des ganzen IUSG's während eines Störungsbetriebs von gleichzeitiger Einschaltung der Paare Thyristoren (4 ,5 ) oder/und (6 ,7 ) geben. Die Sensoren stellen Sonderimpulstransformatoren dar. -
16 . Block der Folgefrequenz von Impulspaketen; -
17 . Steuerungsblock von Thyristoren; -
18 . Frequenzteiler; -
19 . Differenzierglied; -
20 . Former der Dauer von Impulspaketen; -
21 ,23 . Trigger; -
22 . Steuerimpulsgenerator; -
24 ,25 ,26 ,27 . Impulstransformatoren; -
28 ,29 ,30 ,31 . Leistungsverstärker; -
32 ,33 . Former der Dauer von Unterbrechensimpulsen; -
34 ,35 ,36 ,37 ,38 ,39 ,40 ,41 : UND-Gatter.
-
1 , Power transformer; -
2 Half-wave rectifier; -
3 , Storage capacitor; -
4 .5 .6 .7 , thyristors; -
8th .9 , commutation; -
10 .11 , Excitation windings of the magnetostrictive transducers; -
12 .13 .14 .15 , Sensors of the time derivative of a current, the voltage signals for switching off thecontrol block 17 of the thyristors and the whole IUSG during a fault operation of simultaneous turn-on of the pairs of thyristors (4 .5 ) or and (6 .7 ) give. The sensors are special impulse transformers. -
16 , Block of the repetition frequency of pulse packets; -
17 , Control block of thyristors; -
18 , Frequency divider; -
19 , Differentiator; -
20 , Shaper of duration of pulse packets; -
21 .23 , trigger; -
22 , Control pulse generator; -
24 .25 .26 .27 , Pulse transformers; -
28 .29 .30 .31 , Power amplifier; -
32 .33 , Shaper of duration of interrupt pulses; -
34 .35 .36 .37 .38 .39 .40 .41 : AND gate.
Dieser Impuls-Ultraschallgenerator von Stoßwirkung hat je zwei Eingangs- und Ausgangsstromschwingungskreise, die entsprechend aus folgenden Elementen bestehen:
Der entgegenzuhaltende Impuls-Ultraschallgenerator funktioniert so:
Von dem Netz oder der Sekundärwicklung des Trafos
From the mains or the secondary winding of the
In diesem Aufbau des IUSG's findet kein Kurzschluss-Strom bei normalem Betrieb der IUS-Generatoren statt, weil die Eingangs- und Ausgangsstromschwingungskreise durch die Kondensatoren
Der Impulsbetrieb des entgegenzuhaltenden Generators wird durch den Steuerungsblock
Durch den Frequenzteiler
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der IUS-Generatoren vor möglichen Kurzschlüssen bei den zufälligen gleichzeitigen Öffnungen der Thyristoren
Wie es aus der Arbeitsbeschreibung des entgegenzuhaltenden Patents
- 1. Der Grundmangel der allen Impulsultraschall-Vorrichtungen von Stoßwirkung einschließlich auch des entgegenzuhaltenden
Patents RU [s.21 41 877 C1 1 ] besteht in der geringen Wirtschaftlichkeit der industriellen Fach-Impulsultraschallgeneratoren mit dem Wirkungsgradnicht mehr als 5%. Das findet infolge der nicht genügenden Vollkommenheit der bestehenden modernen Technologien zum Erhalten des Impulsultraschalls von Stoßwirkung statt In der vorzuschlagenden Erfindung der IUSG'en IUSG-gW werden neue technische Lösungen zur bedeutenden Erhöhung ihrer Wirtschaftlichkeit eingeführt, u. zw. mit großen Wirkungsgrad [Magnetostriktionsumwandler aus Permendur lassen einen Wirkungsgrad bis zu 60 ... 70% erreichen (L. Ja. Popilow.: Nachschlagebuch für elektrische und Ultraschallverfahren der Werkstoffbearbeitung. Verlag „Maschinenbau”, Leningrad, 1971, russ., s. S. 497 - 2. In dem entgegenzuhaltenden Patent
RU 2141 877 C1 1 ] und den anderen modernen IUSGèn von Stoßwirkung wird nur ein Einweggleichrichter zur Stromgleichrichtung aus dem Netz verwendet. Dabei erhöht sich die Schutzwahrscheinlichkeit der IUSG'en vor den Kurzschlüssen.Mittels des Einweggleichrichters 2 wird in den positiven Halbperioden der Spannung vom Trafo1 eine Aufladung desSpeicherkondensators 3 ausgeführt. Und nur in den negativen Halbperioden wird nach einer oder mehr Wechselstromperioden ein Paket der Kraftstromimpulse in den Wicklungen von Umwandlern formiert.
- 1. The basic deficiency of all pulse ultrasound devices of impact effect including the patent to be countered
RU 21 41 877 C11 ] is the low cost of industrial professional pulse ultrasound generators with efficiency not more than 5%. This is due to the insufficient perfection of existing modern technologies for obtaining the pulsed ultrasound of impact action. In the invention of the IUSGs IUSG-gW to be proposed, new technical solutions are introduced for significantly increasing their economy, i.a. with high efficiency [Permendur magnetostriction converters achieve an efficiency of up to 60 ... 70% (Yes. Popilow .: Reference book for electrical and ultrasonic processes of material processing. Publisher "Mechanical Engineering", Leningrad, 1971, russ., S. P. 497 - 2. In the patent to be held
RU 2141 877 C1 1 ] and the other modern IUSGs of shock, only a half-wave rectifier is used to rectify the current from the grid. The probability of protection of the IUSGs increases before the short-circuits. By means of the half-wave rectifier 2 becomes in the positive half-periods of the voltage from the transformer1 a charge of thestorage capacitor 3 executed. And only in the negative half periods, after one or more AC periods, is a packet of the power pulses formed in the windings of converters.
Bei dem zufälligen gleichzeitigen Ansprechen der Thyristoren
Um diese Beschädigungen soweit wie möglich zu vermeiden, vermindert man eine für einen Umwandler (oder parallel geschaltete Umwandler) erreichbare Leistung durch die Verwendung des Einweggleichrichters anstatt des Vollweggleichrichters. Also der Speicherkondensator
- 2a. Dabei wird vorgesehen, dass das Signal der Dauer von Impulspaketen nur auf negativen Halbperioden der Spannung von der Sekundärwicklung des
Leistungstransformators 1 fällt, um einer Überlastung desTrafos 1 und Einweggleichrichters2 im Falle eines Kurzschlusses im Stromspeiseblock von hoher Frequenz (Pos.4 bis15 ) zu entgehen. Bei solcher Lösung vermindert sich weiter die Leistung der Schwingungsimpulse, weil nach jedem nacheinander folgenden einzelnen Impuls in den Impulspaketen die Spannung an den Platten desSpeicherkondensators 3 kleiner wird, denn der Speicherkondensator3 wird in dieser negativen Halbperiode der Spannung vom Trafo1 mit keinen Ladungen aufgefüllt. Das vermindert weiter die mögliche Leistung der IUSG'en. - 3. In der entgegenzuhaltenden Konstruktion [s.
1 ] der Impuls-Ultraschallgeneratoren sind zusätzlich neue Sensoren12 ,13 ,14 ,15 der Stromableitung verwendet. Die Letzten stellen sich Vorrichtungen in der Art von Transformatoren mit den nicht gesättigten im Prozess der Strommessung Spulenkernen dar. Sie sind in die Kreise vom Starkstrom eingeschaltet und können deutlicher einen Moment von Kurzschlüssen bestimmen. Diese Sensoren der Stromableitung sind einigermaßen kompliziert und hatten keine Serienfertigung. Bei einem Havariebetrieb von gleichzeitiger Öffnung der zwei in der Reihe geschalteten Thyristoren4 ,5 oder 6 ,7 hängt eine Gefahr des Kurzschlusses von der Ladungsgröße desSpeicherkondensators 3 im Moment der Havarie ab. Im Moment der vollen Aufladung desKondensators 3 spricht ein System der Schutzschaltung nur nach der Entladung desKondensators 3 an. Dann könnten sich dieThyristoren 4 ,5 oder 6 ,7 schließen und nachfolgende Öffnen und Schließen der Kommutierungsthyristoren würden durchSignale von Former 32 oder 33 der Dauer vonUnterbrechensimpulsen und Steuerungsblock 17 von Thyristoren fortdauern. Dieses Schutzsystem ist nicht genügend zuverlässig, weil kein rechtzeitiger Schnellschluß der Thyristoren nach ihrer Havarieöffnung gewährleistet ist.
- 2a. It is provided that the signal of the duration of pulse packets only on negative half periods of the voltage from the secondary winding of the
power transformer 1 falls to an overload of thetransformer 1 and half-wave rectifier 2 in case of a short circuit in the power supply block of high frequency (pos.4 to15 ) to escape. In such a solution further reduces the power of the vibration pulses, because after each successive single pulse in the pulse packets, the voltage across the plates of thestorage capacitor 3 gets smaller, because thestorage capacitor 3 is in this negative half-cycle of the voltage from thetransformer 1 filled with no charges. This further reduces the potential performance of the IUSGs. - 3. In the construction to be countered [s.
1 ] of the pulse ultrasonic generators are alsonew sensors 12 .13 .14 .15 the current drain used. The latter represent devices in the nature of transformers with the non-saturated in the process of current measurement coil cores. They are switched on in the circuits of the high current and can more clearly determine a moment of shorts. These current drainage sensors are reasonably complicated and have no mass production. In a breakdown operation of simultaneous opening of the two series-connectedthyristors 4 .5 or6 .7 there is a risk of short-circuiting of the charge size of thestorage capacitor 3 at the moment of the accident. At the moment of full charging of the capacitor3 A system of protection circuit only speaks after the discharge of thecapacitor 3 at. Then the thyristors could be4 .5 or6 .7 Close and subsequent opening and closing of the Kommutierungsthyristoren would by signals from Former32 or33 the duration of interrupt pulses andcontrol block 17 of thyristors persist. This protection system is not sufficiently reliable, because no timely rapid closure of the thyristors is guaranteed after their accidental opening.
In der vorliegenden Erfindung wird gegen Kurzschlüsse ein anderes sichereres und nicht teueres Schutzsystem mit bestimmten Serienelementen verwendet.In the present invention, another safer and less expensive protection system with certain series elements is used against short circuits.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit der Beschädigung der Impuls-Ultraschallvorrichtung durch einen zufälligen Kurzschluss wegen der Störungen bei betrieb von Thyristoren der Inverteren
Davon ausgehend folgt die nächste Aufgabe: Bedeutende Leistungsvergrößerung der Impuls-Ultraschallgeneratoren durch Erhöhung der Speicherenergie des Speicherkondensators und der Arbeitseffektivität vom Gleichrichter in einer Speisestromquelle, u. zw. durch einen Vollweggleichrichter anstatt des Einweggleichrichters.Based on this, the next task follows: Significant increase in the power of the pulse ultrasonic generators by increasing the storage energy of the storage capacitor and the working efficiency of the rectifier in a supply current source, u. zw. by a full-wave rectifier instead of the half-wave rectifier.
In Anbetracht des niedrigen Wirkungsgrades der entgegenzuhaltenden Impuls-Ultraschallgeneratoren von Stoßwirkung vermindern sich stark die erforderlichen spezifischen Kennzahlen des vorzuschlagenden Aufbaus von Vorrichtung IUSG-gW, im besonderen der Leistung aus dem Netz, Masse und Kosten auf Einheit der Nutzenergie.In view of the low efficiency of the impulse-type impulse ultrasonic generators to be counteracted, the required specific characteristics of the proposed structure of device IUSG-gW, in particular the power from the grid, mass and cost, greatly reduce unit of useful energy.
Zur umfangreichen Verwendung der Impuls-Ultraschalltechnologie in industrieller Anwendung ist auch eine größere Verbrauchsleistung und Impulsleistung auf Einheit der Vorrichtungsmasse bei einem höheren Wirkungsgrad erforderlich, z. B. zur Erhöhung der Kavitationsdauer in den Metallschmelzen und flüssigen Lösungen, Beseitigung der technologischen Ablagerungen mit großer Adhäsionskraft zu Metallflächen usw. Es ist also die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rentable, sichere, einfachere und preiswerte für die Massenfertigung geeignete Vorrichtung zu schaffen.The extensive use of pulsed ultrasonic technology in industrial applications also requires greater power consumption and pulse power on unit of device mass at a higher efficiency, e.g. As to increase the cavitation time in the molten metal and liquid solutions, removal of technological deposits with high adhesion to metal surfaces, etc. It is therefore the main object of the present invention, a profitable, safe, To provide a simpler and cheaper suitable for mass production device.
Der in
-
1 . Stromversorgungseinheit (SVE) mit einem Stelltransformator in Sparschaltung für IUSG-gW von großer Leistung oder einem Trenn- oder Aufwärtstransformator für IUSG-gW von verhältnismäßig geringer Leistung und einem Stelltransformator in Sparschaltung zur Vormagnetisierungsanlage von Magnetostriktionsumwandlern; -
2 . Gleichrichteranlage; -
3 ;3e . Thyristorwechselrichter (Inverter); -
4 . Elektronenschalter; -
5 . Einrichtung für Gleichstromvormagnetisierung der magnetostriktiven Umwandler und ein magnetostriktiver Sensor der elektrischen Rückkopplung in der Gestalt von einer besonderen Wicklung34 aneinem Magnetostriktionsumwandler 10 . Bei Verwendung aber der akustischen Rückkopplung mit einer besonderen Sensor-Spule 34a ist eine zusätzliche Vormagnetisierung mit der Nachregelung durch einen variablen Widerstand31 nötig; -
6 . Einrichtung zur Regelung der Schwingungsfrequenz der Vorrichtung IUSG-gW (s.3 ); -
7 . Einrichtung zur Regelung der Schwingungsamplituden eines magnetostriktiven Umwandlers der Vorrichtung IUSG-gW von einer ausreichenden Leistung (s.4 ).
-
1 , Power supply unit (SVE) with a standby transformer in standby mode for IUSG gW of high power or a separator or step-up transformer for IUSG gW of relatively low power and a standby transformer in economy mode to bias magnetostrictive converter; -
2 , Rectifier system; -
3 ;3e , Thyristor inverters (inverters); -
4 , Electronic switches; -
5 , A device for DC biasing of the magnetostrictive transducers and a magnetostrictive electrical feedback sensor in the form of a particular winding34 on amagnetostriction converter 10 , But when using the acoustic feedback with aspecial sensor coil 34a is an additional bias with the readjustment by avariable resistor 31 necessary; -
6 , Device for controlling the oscillation frequency of the device IUSG-gW (s.3 ); -
7 , Device for controlling the oscillation amplitudes of a magnetostrictive converter of the device IUSG-gW of a sufficient power (s.4 ).
Die Vorrichtung Impuls-Ultraschallgenerator IUSG-gW (
Jeder Stromimpuls-Erregerkreis mit zwei Schwingungskreisen
Die Eingangsimpulskreise des IUSG-gW bestehen aus einer gemeinsamen für den IUSG-gW zu verwendenden Gleichrichteranlage
Jeder Ausgangsimpulskreis des IUSG-gW hat folgende Bestandteile: Kommutierungskondensatoren
Die Elektronenschalter
Die modernen Impuls-Ultraschallgeneratoren von Stoßwirkung haben einen sehr niedrigen bzw. geringen Wirkungsgrad sowie mittlere Nutzleistung, was ihre industrielle Verwendung begrenzt.The state-of-the-art pulse impact ultrasound generators have very low efficiency and average efficiency, limiting their industrial use.
In der vorliegenden Erfindung ist eine neue Lösung dieses Problems ausgenutzt, u. zw. Verwendung eines induktiv gekoppelten LC-Schwingungskreises
Die Schwingungen der Magnetostriktionsumwandler werden sehr ähnlich den harmonischen Schwingungen infolge der Kopplung von Eingangs-[
Da bei der Zeitspanne zwischen den Kraftstromimpulsen mehr als 2,5 Perioden der freien Schwingungen eine Betriebsweise von Ultraschallgeneratoren IUSG-gW den entgegenzuhaltenden IUSG'en ähnlich ist, aber sich durch einen größeren Wirkungsgrad in den Impulspaketen unterscheidet, sind für die IUSG-gW eine universelle Verwendung zu finden, u. zw. als Ultraschallgeneratoren von kontinuierlicher und impulsförmiger Wirkung.Since in the time span between the power pulses over 2.5 periods of free oscillations, operation of ultrasonic generators IUSG-gW is similar to the IUSGs to be countered, but differs by greater efficiency in the pulse packets, for the IUSG-gW is a universal To find use, u. zw. As ultrasonic generators of continuous and pulse-shaped effect.
Für Impuls-Ultraschallgeneratoren IUSG-gW wird eine Vormagnetisierung vom Umwandler
Eine Besonderheit und Neuigkeit der vorliegenden Erfindung (
Wenn sich ein Wert der Spannung in den Wicklungen von Magnetostriktionsumwandlern einer kritischen Größe nähern könnte, so dass ein Isolationsdurchschlag der Leitungen möglich sei, wird eine Parallelschaltung der Wicklungen empfohlen. Bei den zu hohen Leistungen der Impuls-Ultraschallgeneratoren sollte anstatt der Reihenschaltung der Hauptwicklungen an den Schenkeln von magnetostriktiven Umwandlern eine Parallelschaltung der entsprechenden Wicklungen verwendet werden, wobei eine Bedingung der gegensinnigen Kopplung der Wicklungen befolgt [
Die vorliegende Erfindung lässt auch anstatt der magnetostriktiven Umwandler piezzoelektrische Umwandler als Impuls-Ultraschallquelle verwenden (s.
Eine Einrichtung für Gleichstromvormagnetisierung
Zur automatischen Frequenzabstimmung wird ein System der elektrischen oder akustischen rückgekoppelten Verknüpfung (ARV) mit einem Resonanzsensor
Der Sensor
Durch Anode des Thyristors
Die vorliegende Erfindung hat diesen Nachteil nicht, weil der Inverter
Die Vollweggleichrichter haben einen wichtigen wirtschaftlichen Vorzug. Die Einwegschaltung des Gleichrichters sollte für Transformator nicht angewendet werden, da der speisende Transformator mit einem Gleichstromanteil belastet wird. Dieser Nachteil ist mit einer Vollweggleichrichterschaltung zu vermeiden (
Die Hauptstromversorgung des IUS-Generators IUSG-gW wird durch eine Stromversorgungseinheit (SVE)
- –
Wechselstromnetz 6 mit einer Spannung in der Regel von ca. 230/380 V; - – Stelltransformatoren in
Sparschaltung 26 und zur Vormagnetisierung27 ; - –
Schalter 24 und24a ; - –
Temperatursicherungen 25 ; - – Greifarm
32 zum Stellglied desSpartransformators 26 .
- -
AC mains 6 with a voltage of usually 230/380 V; - - Variable transformers in
economy circuit 26 and forbias 27 ; - -
Switch 24 and24a ; - - Temperature fuses
25 ; - -
gripper arm 32 to the actuator of theautotransformer 26 ,
In der vorliegenden Erfindung wird ein Schema des Elektronenschalters
Dieses Schema ist einfacher als die bekannten und stellt auch einen optoelektronischen Speicher dar. Die Thyristoren arbeiten in den Optokopplern
Das Schema des IUSG-gW mit dem Elektronenschalter
Wenn diese Spannung weniger negativ, sondern Null oder ein bisschen positiv ist, so wird der Transistor
Wenn der Strom im Resistor R3 (Pos.
Da das Optron
Das Schema steht in einer Havarieabschaltung, bis sich einer der Schalter
Der Resistor R1 (Pos.
Die Stromversorgung für Vormagnetisierung der magnetostriktiven Umwandler
- –
Wechselstromnetz 6 mit einer Spannung in der Regel von ca. 230/380 V; - – Stelltransformator in
Sparschaltung 27 ; - – Schalter
24a ; - – Temperatursicherung
25 ;
- -
AC mains 6 with a voltage of usually 230/380 V; - - Variable transformer in
economy circuit 27 ; - - Switch
24a ; - -
Temperature fuse 25 ;
Die Inverter
Die Steuerung von Schaltern
- 1)
Einschaltung der Schalter 24 ,24a und 33 ,33a beim fehlen eines Signals amKommutierungsthyristoren 16 ,17 und/oder 18 ,19 ; - 2) Bleiben die
Schalter 24 ,24a und 33 ,33a geöffnet bei der abwechselnden Funktion der Thyristoren16 und17 und/oder 18 und 19 ; - 3) Ausschaltung des
Inverters 3 und/oder desInverters 3e der IUSG-gW bei einer Havariebetrieb (gleichzeitige zufällige Öffnung der zwei Thyristoren indem Inverter 3 und/oder3e ).
- 1) Switching on the
switches 24 .24a and33 .33a when missing a signal atKommutierungsthyristoren 16 .17 and or18 .19 ; - 2) Stay the
switches 24 .24a and33 .33a opened at the alternate function of thethyristors 16 and17 and or18 and19 ; - 3) Turn off the
inverter 3 and / or theinverter 3e the IUSG gW in case of an accident (simultaneous random opening of the two thyristors in theinverter 3 and or3e ).
Als binäre Signale werden die Ströme von magnetoresestiven Sensoren ausgenützt, laut deren die Gatter ansprechen. Jeden magnetoresestiven Sensor stellt man unmittelbar auf einem Leiterabschnitt vor den Thyristoren
Von Gattern folgen die entsprechende Stromsignale oder kein Signal an Zeitrelais und weiter zu den Schaltern
Die Zeitrelais zu den Schaltern
In
Das System besteht aus folgenden Blöcken und Elementen:
-
1 .Impulssteuergenerator 1 ; -
2 .Im Teil 2 desInverters 3e von Vorrichtung „Impuls-Ultraschallgenerator IUSG-gW” mit der Erdung und einem Thyristor18 (s. auch2 ), durch den die positiven Impulshalbwellen nach einem bestimmten Programm erzeugt werden.Inverter 3e als elektromagnetischer Geber (äquivalente Schaltung der mechanischen und elektrischen Elemente und Anpassung und Signalabtrennung beim Umschaltungsbetrieb) mit einem System der elektrischen oder akustischen Rückkopplung durch einen Differentialtransformator7 [3 ]. -
36 .Kompensationskomplex 36 der elektrischen Signalemit dem Differentialtrafo 7 .
-
1 ,Pulse control generator 1 ; -
2 , In thepart 2 of theinverter 3e of device "Pulsed Ultrasonic Generator IUSG-gW" with ground and a thyristor18 (see also2 ), by which the positive pulse half-waves are generated after a certain program.inverter 3e as an electromagnetic encoder (equivalent circuit of the mechanical and electrical elements and adaptation and signal separation in the switching operation) with a system of electrical or acoustic feedback through a differential transformer7 [3 ]. -
36 ,compensation complex 36 the electrical signals with thedifferential transformer 7 ,
Ein mechanischer Zweig der Reihenschaltung von äquivalenten konzentrierten Elementen enthält:
-
17 . Schwingungsmasseäquivalent LM; -
38 . Schwingungsnachgiebigkeitsäquivalent CM; -
39 . Widerstand der mechanischen Verluste RMV; -
20 . Widerstand der akustischen Belastung RB.
-
17 , Vibration mass equivalent L M ; -
38 , Vibration compliance equivalent C M ; -
39 , Resistance of mechanical losses R MV ; -
20 , Resistance of the acoustic load R B.
Elektrische Zweige des Inverters
-
21 .Elektrische Verluste R E21 ; -
22 .Spule 22 mit der Induktivität LE auf dem Spulenkern des Magnetostriktionsumwandlers M wird als Sensor der Sollwertfrequenz ausgenutzt. Das Signal von dieser Spule wird durch eine zusätzliche Spule34 mit der geringen Windungszahl auf dem Wicklungskern des Umwandlers zum System der elektrischen Rückkopplung übertragen oder durch einen akustisch-elektrischen Wandlermit der Spule 34a zum System der akustischen Rückkopplung gerichtet. Diese Spulen stellen eine elektromotorische Quelle dar, d. h.Sensor 34 der elektrischen oder34a der akustischen rückgekoppelten Verknüpfung. -
5 . Phasenempfindlicher Gleichrichter mit Verstärker; -
6 . Stellglied (Greifarm mit Antrieb vom Gleichstrommotor zum Impulssteuergenerator1 ); -
7 . Differentialtransformator zur automatischen Stromkompensation in den Direkt- und Rückkopplungskreisen; -
8 . Induktivität LK in dem Kompensationszweig des Frequenzreglers; -
9 . Ohmscher Widerstand RK in dem Kompensationszweig des Frequenzreglers; -
10 . Kondensator CE in den Kreisen von Kraftstrom- und freien Schwingungen desInverters 3e ; -
11 .Primärwicklung 11 desDifferentialtransformators 7 , die mit den Elementen Pos.18 ,14 ,16 ,8 ,9 , (35 ,11 ), [weiter Punkt a4],15 , [Punkte a2, a3],2 (Erdung) einen der Kreise (Direktkopplung) desInverters 3e bildet undmit dem Kondensator 35 einen Kreis von Kraftstromimpulsen und freien Stromschwingungen darstellt. -
12 .Primärwicklung 12 desDifferentialtransformators 7 , die einen Rückkopplungskreis vom Magnetostriktionsumwandler M durchden Sensor 34 oder 34a der rückgekoppelten Verknüpfung mit folgenden Elementen bildet: Erdung desSensors 34 oder 34a ,Sensor 34 oder 34a ,12 , [Punkte c, a4],15 , [a2, a3] und Erdung2 desInverters 3e ; -
13 .Sekundärwicklung 13 desDifferentialtransformators 7 ; -
15 .Kommutierungskondensator 15 als eine Stromquelle der negativen Halbwellen-Stromimpulse des Impuls-Ultraschallgenerators IUSG-gW; -
14 ,16 . Induktivität LF und Kapazität CF in den Anpassungskreisen des IUSG-gWs; Man soll Struktur und Bestandelemente der elektrischen Schwingungskreise vom Schema der automatischen Frequenzabstimmung anführen (3 ): - E.1) Direktkopplungskreis des Systems der Frequenzabstimmung bei den positiven Impulshalbwellen:
2 –14 –16 – a' –8 ,9 – (35 – c –11 – b –35 ) – a4 –15 – a2 – a3 –2 (Erdung); [Die Verlustwiderstände in dem Stromschwingungskreis (35 – c –11 – b –35 ) bedingt nicht gezeigt und auch Stromrichtung in diesen Widerständen]. E.1a) Der Hauptkreis, der unmittelbarmit dem Differentialtransformator 7 nicht verbunden, sondern nur durch Rückkopplung:2 –14 –16 – a – [10 –22 (M) –10 ] – a1 –15 – a2 – a3 –2 (Erdung); - E.1b) Rückkopplungskreis: Erdung an
den Sensoren 34 oder 34a ,Sensoren 34 oder 34a – d – –12 – c – a4 –15 – a2 – a3 –2 (Erdung);Die Primärwicklungen 11 und12 desDifferentialtrafos 7 weisen eine gegensinnige Schaltung im System der Frequenzabstimmung auf. - E.2) Direktkopplungskreis bei den negativen Impulshalbwellen:
15 – a4 – (35 – b –11 – c -–35 ) –8 ,9 – a' –16 –14 – k –19 –15 ; [s. auch oben eine Bemerkung im Punkt E.1)]. - E.2a) Der Hauptkreis, der unmittelbar
mit dem Differentialtransformator 7 nicht verbunden, sondern nur durch Rückkopplung:15 – a1 – [10 – a –22 (M) –10 ] – a – a' –16 –14 – k –19 –15 ; - E.2b) Rückkopplungskreis:
2 (Erdung) – a3 – a2 –15 – a4 – c –12 – d –34 oder 34a – Erdung der Sensoren34 oder 34a .
-
21 , Electrical losses R E21 ; -
22 ,Kitchen sink 22 with the inductance L E on the coil core of the magnetostriction converter M is used as a sensor of the setpoint frequency. The signal from this coil is through anadditional coil 34 with the low number of turns transmitted to the winding core of the converter to the system of electrical feedback or through an acoustic-to-electrical converter with thecoil 34a directed to the system of acoustic feedback. These coils represent an electromotive source,ie sensor 34 the electric or34a the acoustic feedback link. -
5 , Phase sensitive rectifier with amplifier; -
6 , Actuator (gripper arm with drive from the DC motor to the pulse control generator1 ); -
7 , Differential transformer for automatic current compensation in the direct and feedback circuits; -
8th , Inductance L K in the compensation branch of the frequency regulator; -
9 , Ohmic resistance R K in the compensation branch of the frequency controller; -
10 , Capacitor C E in the circuits of power and free vibrations of theinverter 3e ; -
11 , primary11 of thedifferential transformer 7 , with the elements pos.18 .14 .16 .8th .9 , (35 .11 ), [further point a 4 ],15 , [Points a 2 , a 3 ],2 (Grounding) one of the circuits (direct coupling) of theinverter 3e forms and with thecapacitor 35 represents a circle of power pulses and free current oscillations. -
12 , primary12 of thedifferential transformer 7 which provides a feedback loop from magnetostriction converter M through thesensor 34 or34a the feedback connected to the following elements: Earthing of thesensor 34 or34a ,Sensor 34 or34a .12 , [Points c, a 4 ],15 , [a 2 , a 3 ] and grounding2 of theinverter 3e ; -
13 , secondary winding13 of thedifferential transformer 7 ; -
15 ,commutation 15 as a current source of the negative half-wave current pulses of the pulse ultrasonic generator IUSG-gW; -
14 .16 , Inductance L F and capacitance C F in the matching circuits of the IUSG gWs; It is necessary to cite the structure and components of the electric oscillation circuits from the scheme of automatic frequency tuning (3 ): - E.1) Direct coupling circuit of the frequency tuning system for the positive pulse half-waves:
2 -14 -16 - a '-8th .9 - (35 - c -11 - b -35 ) - a 4 -15 - a 2 - a 3 -2 (Ground); [The loss resistances in the current oscillation circuit (35 - c -11 - b -35 ) conditionally not shown and also current direction in these resistors]. E.1a) The main circuit directly connected to thedifferential transformer 7 not connected, but only by feedback:2 -14 -16 - a - [10 -22 (M) -10 ] - a 1 -15 - a 2 - a 3 -2 (Ground); - E.1b) Feedback circuit: Ground at the
sensors 34 or34a ,Sensors 34 or34a - d - -12 - c - a 4 -15 - a 2 - a 3 -2 (Ground); Theprimary windings 11 and12 of thedifferential transformer 7 have an opposing circuit in the frequency tuning system. - E.2) Direct coupling circuit for the negative pulse half-waves:
15 - a 4 - (35 - b -11 - c -35 ) -8th .9 - a '-16 -14 - k -19 -15 ; [S. also a remark in point E.1) above). - E.2a) The main circuit directly connected to the
differential transformer 7 not connected, but only by feedback:15 - a 1 - [10 - a -22 (M) -10 ] - a - a '-16 -14 - k -19 -15 ; - E.2b) feedback loop:
2 (Grounding) - a 3 - a 2 -15 - a 4 - c -12 - d -34 or34a - Grounding of thesensors 34 or34a ,
Automatische Frequenzabstimmung funktioniert auf solche Weise:
Beim normalen stationären Betrieb des Impuls-Ultraschallgenerators mit einer bestimmten Frequenz ist eine Spannung auf der Sekundärwicklung
In normal stationary operation of the pulse ultrasonic generator with a certain frequency is a voltage on the secondary winding
Die Impuls-Ultraschallgeneratoren von Typ IUSG-gW funktionieren in einem Umschaltungsbetrieb, bei dem jeder umschaltende Thyristor bei der äußeren Frequenzabstimmung in einem geöffneten oder geschlossenen Zustand ist. In diesem Fall steuert das Rückkopplungssystem die Arbeit des Steuergenerators
- Z1
- – Impedanz des Brückenzweiges „a1 – b”;
- Z2
- – Impedanz des elektromagnetischen Gebers (Brückenzweig „a – CE – LE – RE – M –
34 oder 34a – d”); - Z3
- – Impedanz des Brückenzweiges „b – c” (Pos.
11 ); - Z4
- – Impedanz des Brückenzweiges „c – d” (Pos.
12 ).
- Z 1
- - impedance of the bridge branch "a 1 - b";
- Z 2
- - Impedance of the electromagnetic encoder (bridge branch "a - C E - L E - R E - M -
34 or34a - d "); - Z 3
- - impedance of the bridge branch "b - c" (pos.
11 ); - Z 4
- - impedance of the bridge branch "c - d" (pos.
12 ).
Der Ausgangsstromkreis
Der Eingangswiderstand des IUSG-gW's wird an die Primärseite
Der Kreis b,
Das Schema ist flexible Anpassungsbedingungen wie in dem Belastungskreis, als auch im Rückkopplungskreis zu gewährleisten.The scheme is to ensure flexible matching conditions as in the load circuit as well as in the feedback loop.
Die Bedingung der Stromkompensation von den elektrischen Zweigen des Magnetostriktionsumwandlers M und des Sensors
Laut
- n1 = w₃ / w₁ und n2 = w₃ / w₂
- – Transformationskoeffiziente;
- w1, w2, w3
- – Windungszahlen entsprechend:
Primärseite 11 ,12 ,Sekundärseite 13 desDifferentialtransformators 7 ;n₂ / n₁ k
Loud
- n 1 = w₃ / w₁ and n 2 = w₃ / w₂
- - transformation coefficients;
- w 1 , w 2 , w 3
- - Number of turns corresponding to:
primary side 11 .12 ,Secondary side 13 of thedifferential transformer 7 ;n₂ / n₁ k
Üblich wird k = 10 ... 30 angenommen. Dabei ist der Differenzialtrafo
Primärwicklung
Bei einer Frequenzänderung des Umwandlers entsteht entsprechend eine Blindwiderstandsänderung, die in der Sekundärwicklung
Die Berechnung des Rückkopplungskreises bei aufgegebenen Parametern des elektroakustischen Umwandlers M und den bekannten Eingangsangaben des IUSG-gW wird auf eine Bestimmung von Kompensationsparametern RK, XK und Angaben des Differentialtransformators zurückführen.The calculation of the feedback loop for discontinued parameters of the electroacoustic transducer M and the known input data of the IUSG gW will be due to a determination of compensation parameters R K , X K and indications of the differential transformer.
Das angeführte Schema (
Zur Funktion der IUSG-gW in der Betriebsweise mit Impulspaketen und bestimmten Impulsverhältnissen sollen die Impulssteuergeneratoren mit einem besonderen Programm verwendet werden. Es ist auch eine Betriebsweise mit den überlagerten Schwingungsfrequenzen möglich.For the function of the IUSG gW in the mode of operation with pulse packets and certain pulse ratios, the pulse control generators are to be used with a special program. It is also a mode of operation with the superimposed vibration frequencies possible.
Zur optimalen Funktion des Impuls-Ultraschallgenerators der hohen im Vergleich zu entgegenzuhaltenden IUSG'en von Stoßwirkung Mittelleistung und Gewährleistung des minimalen Energieaufwandes soll neben der Frequenzabstimmung gleichzeitig auch eine automatische Amplitudenregelung verwendet werden. Dabei wird die Schwingungsamplitude von Umwandlern bei der Belastungsänderung entweder in einer bestimmten Amplitudentoleranz unterstützt oder nach dem bestimmten Programm reguliert.For optimal operation of the impulse ultrasonic generator of the high compared to counteracting IUSG'en of shock effect medium power and ensuring the minimum energy consumption in addition to the frequency tuning at the same time an automatic amplitude control can be used. In this case, the vibration amplitude of converters in the load change either in a certain amplitude tolerance supported or regulated according to the particular program.
Das Schema der automatischen Amplitudenregelung eines Magnetostriktionsumwandlers ist in
-
1 . Rückkopplung des Systems von automatischer Regelung der mechanischen Schwingungsamplituden; -
1.1 . Vollweggleichrichter; -
1.2 . Glättungsfilter-Drossel; -
1.3. Glättungsfilter-Kondensator; -
1.4 . Stellwiderstand zur Einstellung der Spannungsgröße, die dem Leerlauf des Magnetostriktionsumwandlers10 entspricht und der Spannung der Referenz1.5 gleich ist; -
1.5 . Referenz: Spannungsquelle eines beständigen Stellsignals oder der Signale, die mit einer bestimmten Abhängigkeit von den Parametern der technologischen Prozesse gekoppelt sind; -
1.6 . Differenzverstärker; -
2 . Gleichrichtungsanlage (s. Pos.2 ,2 ); -
8 . Stellglied; -
8.1 . Gleichstrommotor; -
8.2 . Greifarm (s. auch Pos.32 ,2 ) als ein Antriebsteil vom Motor8.1 zum Stelltrafo26 (s.2 ); -
10 . Magnetostriktionsumwandler (s. auch Pos.10 ,4 ; Pos.22 , M,3 ) desInverters 3e ; -
26 . Stelltransformator in Sparschaltung (s. auch Pos.26 ,2 ); -
37 .Besondere Spule 37 mit kleiner Windungszahl auf einem Schenkel des Magnetostriktionsumwandlers10 (s. auch Pos.10 ,3e ,33a der 2 , auf der dieSpule 37 bedingt nicht gezeigt ist; Pos.37 ,3 ) als Sensor der den mechanischen Schwingungsamplituden äquivalenten Stromveränderung [die Letzte ist etwa proportional der Schwingungsamplituden des Umwandlers10 (s.2 )].
-
1 , Feedback of the system from automatic regulation of the mechanical vibration amplitudes; -
1.1 , full-wave rectifier; -
1.2 , Smoothing filter inductor; -
1.3. Smoothing filter capacitor; -
1.4 , Variable resistor to adjust the voltage magnitude, the idle of themagnetostriction converter 10 matches and the voltage of the reference1.5 is equal to; -
1.5 , Reference: voltage source of a stable control signal or of the signals coupled with a certain dependence on the parameters of the technological processes; -
1.6 , Differential amplifier; -
2 , Rectification system (see pos.2 .2 ); -
8th , Actuator; -
8.1 , DC motor; -
8.2 , Gripper arm (see also Pos.32 .2 ) as a driving part from the engine8.1 to the positioning transformer26 (S.2 ); -
10 , Magnetostriction converter (see also Pos.10 .4 ; Pos.22 , M,3 ) of theinverter 3e ; -
26 , Variable transformer in economy circuit (see also Pos.26 .2 ); -
37 ,Special coil 37 with a small number of turns on one leg of the magnetostriction converter10 (see also Pos.10 .3e .33a of the2 on which thecoil 37 conditionally not shown; Pos.37 .3 ) as a sensor of the current amplitude equivalent to the mechanical vibration amplitudes [the latter being approximately proportional to the vibration amplitudes of the transducer10 (S.2 )].
Zur Amplitudenstabilisierung oder Regelung der Schwingungsamplituden von Umwandlersstirn oder anderen entsprechend schwingenden Flächen bei Änderung der mechanischen Belastung wird als elektrischer Wert die Stromstärke am zweckmäßigsten ausgewählt, die durch mechanische Widerstände RMV und Wirkbelastung RB bedingt wird (s. auch z. B. äquivalentes Schema
Es können elektrische Filter mit bestimmten Induktivitäten und Kapazitäten in den elektrischen Schwingungskreis des IUSG-gW gewählt und erprobt werden, die den bedeutenden Blindwiderstand der Belastung kompensieren könnten. Zum Erhalt der erforderlichen mechanischen Schwingungsamplituden soll der Stromwert im ganzen nach einem bestimmten Programm unterstützt werden (s.
Automatische Regelung der Schwingungsamplitude vom Impuls-Ultraschallumwandler funktioniert auf diese Weise:
Der Differentialverstärker
The differential amplifier
Der Impuls-Ultraschallgenerator IUSG-gW (s.
Die Schalter
The
Bei der elektrischen Rückkopplung fehlt die Leitung mit dem einstellbaren Widerstand
Der Strom aus dem Wechselstromnetz
Vom Transformator
Von dem Spartransformator
Der Strom von der Gleichrichteranlage
Laut einem bestimmten Programm vom Impulssteuergenerator
According to a certain program from the pulse control generator
Die Eingangsthyristoren
Für bestimmte Technologien können auch die Thyristoren
Die Vorrichtung IUSG-gW gewährleistet laut eines bestimmten Programms eine aufgegebene Verstimmung der Schwingungskreise durch den steuerbaren Impulssteuergenerator
Bei den IUS-Generatoren mit mehreren parallel geschalteten Umwandlern kann nur bei einem Umwandler die Rückkopplung der Regelungseinrichtungen ausgenutzt werden, u. zw. auf seine Resonanzfrequenz wird eine Einstellung des IUS-Generators ausgeführt.In the IUS generators with multiple converters connected in parallel, the feedback of the control devices can only be utilized in the case of one converter; between its resonant frequency an adjustment of the IUS generator is carried out.
Es können auch alle Rückkopplungen der Regelungseinrichtungen durch einen Sonderkommutierungsaufbau nacheinander kurz (für einige Sekunden) an den IUS-Generator angeschlossen werden, und er funktioniert abwechselnd bei genauer Resonanzfrequenz jedes der Umwandler. Es gibt auch andere Regelungsverfahren bei der Arbeit von vielen Umwandlern [
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- zur vorzuschlagenden Erfindung:for the invention to be proposed:
”Vorrichtung und Verfahren zur Ultraschallenergieerzeugung durch Stromimpulse im breiten Leistungsbereich und bei großem Wirkungsgrad”"Apparatus and method for ultrasonic energy generation by current pulses in the wide power range and at high efficiency"
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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